CN104532045A - 一种高体积分数颗粒增强铝基复合材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高体积分数颗粒增强铝基复合材料的制备方法，属于复合材料技术领域。将陶瓷颗粒在模具中压制成预制块，加热预制块、模具；熔化铝合金，将铝合金熔体倒入模具中，使模具、预制块、铝合金保持相同温度，对熔体施加压力，同时对预制块抽气，使铝合金有效的渗入预制块的孔隙，从而制备高体积分数颗粒增强铝基复合材料。本发明利用模具、预制块、铝合金熔体等温的特点，保证铝熔体在浸渗过程中具有良好的流动性，使其充分浸渗入陶瓷粉末预制块的孔隙中，同时在预制块下部抽气，排出预制块中的气体，在孔隙处形成真空，有利于浸渗过程的进行。本发明设备简单，便于操作，具有良好的推广前景。

Description

一种高体积分数颗粒增强铝基复合材料的制备方法
技术领域
本发明涉及的是一种复合材料技术领域的制备方法，具体地说，是一种高体积分数颗粒增强铝基复合材料的制备方法。
背景技术
高体积分数颗粒增强铝基复合材料具有高比模量和低热膨胀系数，在航空航天、国防、工业等领域有着广泛的应用。传统的高体积分数颗粒铝基复合材料的制备方法是将增强颗粒与铝合金粉末经过混粉、冷压，烧结和致密化制备而成，或者是将铝合金，通过挤压浸渗或气压浸渗的方法渗入增强颗粒预制块中制备而成。这两种方法存在着工艺步骤复杂，设备要求高，界面反应难以控制等缺陷，不利于推广应用。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足，提供一种高体积分数颗粒增强铝基复合材料的制备方法。该方法是采用真空等温挤压浸渗技术制备高体积分数颗粒增强铝基复合材料，这种制备方法具有设备简单，操作方便的优点，适于大规模的工业生产，具有很好的推广价值。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种高体积分数颗粒增强铝基复合材料的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
将陶瓷颗粒在模具中压制成预制块，加热预制块、模具；
将铝合金熔体倒入模具中，使模具、预制块、铝合金熔体保持相同温度，对所述铝合金熔体施加压力，同时对所述预制块抽气，使铝合金熔体渗入预制块的孔隙；
浸渗结束后，移除加热装置，待渗入预制块的孔隙的铝合金熔体缓慢凝固，即得所述高体积分数颗粒增强铝基复合材料。
作为优选方案，所述压制采用的压力为20～80MPa。更优选为20～70MPa。
作为优选方案，所述预制块、模具的加热温度为720～780℃。
作为优选方案，所述倒入模具中的铝合金熔体的温度为720～780℃。
作为优选方案，所述对铝合金熔体施加的压力为10～50MPa。
作为优选方案，所述对预制块抽气的抽气速率为10～50l/s。
作为优选方案，所述铝合金熔体渗入预制块的孔隙的浸渗时间为10～30min。
作为优选方案，所述陶瓷颗粒选自SiC陶瓷粉末、TiC陶瓷粉末、TiB2陶瓷粉末；所述陶瓷颗粒的粒径为1～2000μm。
本发明还涉及一种本发明的高体积分数颗粒增强铝基复合材料的制备方法的专用设备，所述设备包括上压头1、模具外筒2、加热装置4、底板5、下垫块7、抽气管8；所述模具外筒2和下垫块7可拆卸地安装于底板5上形成型腔，所述上压头1活动设置于所述型腔内，所述加热装置4设置在模具腔外周，所述抽气管8贯穿底板5和下垫块7与模具腔相通。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、本发明利用模具、预制块、铝合金熔体等温的特点，保证铝熔体在浸渗过程中具有良好的流动性，使其充分浸渗入陶瓷粉末预制块的孔隙中，同时在预制块下部抽气，排出预制块中的气体，在孔隙处形成真空，有利于浸渗过程的进行。
2、本发明不局限于形状简单(圆柱形)的模具，可用于形状复杂的模具，制备具有复杂形状的铝基复合材料。
3、本发明无需外加真空容器，极大的简化了设备，降低了复合材料制备成本，便于操作，有利于大规模生产。
4、本发明的制备方法设备简单，操作方便，制备的复合材料具有良好的刚度和低热膨胀系数，可以广泛应用于航空航天、汽车等领域。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为用于制备高体积分数颗粒增强铝基复合材料的专用设备结构示意图；
其中，1为上压头、2为模具外筒、3为铝合金熔体、4为加热装置、5为底板、6为陶瓷粉末、7为下垫块、8为抽气管。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
本实施例涉及一种高体积分数颗粒增强铝基复合材料的制备方法及其专用设备。所述专用设备的结构示意图如图1所示，包括上压头1、模具外筒2、加热装置4、底板5、下垫块7、抽气管8；所述模具外筒2和下垫块7可装配于底板5上形成模具腔，所述上压头1可沿模具腔内侧壁向下运动，所述加热装置4设置在模具腔外周，所述抽气管8贯穿底板5和下垫块7与模具腔相通。
本实施例的高体积分数颗粒增强铝基复合材料的制备过程如下：
将模具外筒5和下垫块7装配于底板5上，形成模具腔；将500g SiC陶瓷粉末6(粒径为100～800μm)倒入模具腔中，上压头1向下运动，对粉末施加20MPa的压力，使粉末压实，形成预制块；开启加热装置4(加热炉)，对模具外筒5、陶瓷粉末预制块、下垫块7、上压头1进行加热，使其温度保持在720℃；将500g A356铝合金熔化，并加热到720℃。快速抬起上压块9，将铝合金熔体3倒入预制块上部；继续对模具外筒5、陶瓷粉末预制块、下垫块7、压头1、铝合金熔体加热，使其温度在整个浸渗过程中保持在720℃；通过抽气管8对预制块进行真空抽气，抽气速率为10l/s，同时上压头1向下运动，对铝合金熔体施加10MPa的压力，使铝合金熔体渗入预制块。浸渗10min后，移除加热炉，使复合材料缓慢凝固；卸除模具，得到体积分数为60％的SiC颗粒增强A356铝基复合材料。
实施例2
本实施例涉及一种高体积分数颗粒增强铝基复合材料的制备方法及其专用设备。所述专用设备的结构示意图如图1所示，包括上压头1、模具外筒2、加热装置4、底板5、下垫块7、抽气管8；所述模具外筒2和下垫块7可装配于底板5上形成模具腔，所述上压头1可沿模具腔内侧壁向下运动，所述加热装置4设置在模具腔外周，所述抽气管8贯穿底板5和下垫块7与模具腔相通。
本实施例的高体积分数颗粒增强铝基复合材料的制备过程如下：
将模具外筒5和下垫块7装配于底板5上，形成模具腔；将800g TiC陶瓷粉末6(粒径为800～1500μm)倒入模具腔中，上压头1向下运动，对粉末施加50MPa的压力，使粉末压实，形成预制块；开启加热装置4(加热炉)，对模具外筒5、陶瓷粉末预制块、下垫块7、上压头1进行加热，使其温度保持在750℃；将800g A390铝合金熔化，并加热到750℃。快速抬起上压头1，将铝合金熔体3倒入SiC陶瓷粉末上部；继续对模具外筒5、陶瓷粉末预制块、下垫块7、上压头1、铝合金熔体加热，使其温度在整个浸渗过程中保持在750℃；通过抽气管8对预制块进行抽气，抽气速率为30l/s，同时上压头1向下运动，对铝合金熔体施加20MPa的压力，使铝合金熔体渗入陶瓷粉末预制块。浸渗20min后，移除加热炉，使复合材料缓慢凝固；卸除模具，得到体积分数为50％的TiC颗粒增强A356铝基复合材料。
实施例3
本实施例涉及一种高体积分数颗粒增强铝基复合材料的制备方法及其专用设备。所述专用设备的结构示意图如图1所示，包括上压头1、模具外筒2、加热装置4、底板5、下垫块7、抽气管8；所述模具外筒2和下垫块7可装配于底板5上形成模具腔，所述上压头1可沿模具腔内侧壁向下运动，所述加热装置4设置在模具腔外周，所述抽气管8贯穿底板5和下垫块7与模具腔相通。
本实施例的高体积分数颗粒增强铝基复合材料的制备过程如下：
将模具外筒5和下垫块7装配于底板5上，形成模具腔；将1000g TiB2陶瓷粉末6(粒径为1500～2000μm)倒入模具腔中，上压头1向下运动，对粉末施加70MPa的压力，使粉末压实，形成预制块；开启加热装置4(加热炉)，对模具外筒5、陶瓷粉末预制块、下垫块7、上压头1进行加热，使其温度保持在780℃；将1000g 6061铝合金熔化，并加热到780℃。快速抬起上压头1，将铝合金熔体3倒入SiC陶瓷粉末上部；继续对模具外筒5、陶瓷粉末预制块、下垫块7、上压头1、铝合金熔体加热，使其温度在整个浸渗过程中保持在780℃；通过抽气管8对预制块6进行抽气，抽气速率为50l/s，同时上压头1向下运动，对铝合金熔体施加50MPa的压力，使铝合金熔体渗入陶瓷粉末预制块。浸渗30min后，移除加热炉，使复合材料缓慢凝固；卸除模具，得到体积分数为65％的TiB2颗粒增强6061铝基复合材料。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (9)

1.一种高体积分数颗粒增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
将陶瓷颗粒在模具中压制成预制块，加热预制块、模具；
将铝合金熔体倒入模具中，使模具、预制块、铝合金熔体保持相同温度，对所述铝合金熔体施加压力，同时对所述预制块抽气，使铝合金熔体渗入预制块的孔隙；
浸渗结束后，移除加热装置，待渗入预制块的孔隙的铝合金熔体缓慢凝固，即得所述高体积分数颗粒增强铝基复合材料。
2.根据权利要求1所述的高体积分数颗粒增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，所述压制采用的压力为20～80MPa。
3.根据权利要求1所述的高体积分数颗粒增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，所述预制块、模具的加热温度为720～780℃。
4.根据权利要求1所述的高体积分数颗粒增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，所述倒入模具中的铝合金熔体的温度为720～780℃。
5.根据权利要求1所述的高体积分数颗粒增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，所述对铝合金熔体施加的压力为10～50MPa。
6.根据权利要求1所述的高体积分数颗粒增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，所述对预制块抽气的抽气速率为10～501/s。
7.根据权利要求1所述的高体积分数颗粒增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，所述铝合金熔体渗入预制块的孔隙的浸渗时间为10～30min。
8.根据权利要求1所述的高体积分数颗粒增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，所述陶瓷颗粒选自SiC陶瓷粉末、TiC陶瓷粉末、TiB2陶瓷粉末；所述陶瓷颗粒的粒径为1～2000μm。
9.一种如权利要求1所述的高体积分数颗粒增强铝基复合材料的制备方法的专用设备，其特征在于，所述设备包括上压头(1)、模具外筒(2)、加热装置(4)、底板(5)、下垫块(7)、抽气管(8)；所述模具外筒(2)和下垫块(7)可拆卸地安装于底板(5)上形成型腔，所述上压头(1)活动设置于所述型腔内，所述加热装置(4)设置在模具腔外周，所述抽气管(8)贯穿底板(5)和下垫块(7)与模具腔相通。
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